Особенности формирования обезуглероженного слоя при ВТМО Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 621.789-977

ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ОБЕЗУГЛЕРОЖЕННОГО СЛОЯ ПРИ ВТМО

ДЕМЕНТЬЕВ В. Б., ЗАСЫПКИН А. Д.

Удмуртский федеральный исследовательский центр Уральского отделения РАН, 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34

АННОТАЦИЯ. В статье рассмотрены вопросы формирования поверхностного слоя упрочненного проката (применяемого для изготовления деталей, испытывающих высокие нагрузки при эксплуатации), в процессе высокотемпературной термомеханической обработки (ВТМО) с деформацией винтовым обжатием (ВО) цилиндрических заготовок. При этом появляется проблема увеличения глубины обезуглероженного слоя на поверхности горячекатаной трубной заготовки при нагреве ее до температур аустенитного превращения. Величина обезуглероженного слоя определяется суммарным временем нахождения металла при высоких температурах (1 > 800 °С), т.е. временем нагрева заготовки под деформацию, температурно-скоростным режимом деформации и скоростью охлаждения готового проката. Построение обобщенной модели формирования обезуглероженного слоя и последующее решение диффузионной задачи распределения углерода в поверхностных слоях заготовки позволяет определить толщину дефектного слоя и оптимальные температурно-скоростные режимы ВТМО ВО.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: обезуглероженный слой, нагрев, деформация, охлаждение, высокотемпературная термомеханическая обработка, концентрация углерода, качество поверхности.

ВВЕДЕНИЕ

При изготовлении полых осесимметричных цилиндрических деталей с применением в качестве упрочняющей операции высокотемпературной термомеханической обработки с деформацией винтовым обжатием (ВТМО ВО) [1] появляется проблема увеличения глубины обезуглероженного слоя на поверхности горячекатаной (г/к) трубной заготовки при нагреве ее до температур аустенитного превращения. Величина обезуглероженного слоя определяется суммарным временем нахождения металла при высоких температурах (1 > 800°С), т.е. временем нагрева заготовки под деформацию, температурно-скоростным режимом деформации и скоростью охлаждения готового проката [2].

Применение при ВТМО нагрева токами высокой частоты (ТВЧ) значительно уменьшает обезуглероживание сталей, которое при нагреве до 1000 - 1100 °С практически отсутствует. При этом заметно уменьшается и окалинообразование, которое составляет в среднем 0,5 - 0,8 % от массы нагреваемого металла против 2 - 4 % при нагреве в пламенных печах. Можно считать, что при индукционном нагреве обезуглероживание и окалинообразование в основном происходят не в процессе нагрева, а в процессе деформации и дальнейшего остывания нагретой заготовки. Таким образом, рассматривая проблему снижения концентрации углерода в поверхностном слое за счет ускоренного протекания диффузионных процессов, воспользуемся методикой [2] для аналитического решения задачи диффузии углерода и последующей оптимизации режимов ВТМО с целью снижения величины обезуглероженного слоя при многопроходном обжатии.

ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

Схематичное изображение ВТМО по классификации М.Л. Бернштейна [3] показано на

рис. 1. Время тн составляет 1 - 5 с для углеродистых сталей, поэтому, приняв тн~то,

рассмотрим технологические стадии процесса горячей прокатки (нагрев, деформацию и охлаждение готового проката) применительно к процессу ВТМО ВО. Из рис. 1 видно, что общее время (т) нахождения заготовки при 1 > 800 °С составляет:

т = тн + тд + тх + то . (1)

л°С

800

20

<-нагр ьд

Тд Тх То

Рис. 1. Схема ВТМО: т'н - время нагрева выше t = 800 °С;

тд - время деформации; т'о - время охлаждения до t = 800 °С; тх - последеформационная выдержка

Допустим, что тн ~т0 (для индукционного нагрева), тогда:

тн + то = 2 то = тохл, (2)

отсюда: т = Тд + тохл+ тх. (3)

При этом отметим, что тх зависит от марки стали и составляет при ВТМО ВО тх = 2...10 с [3]. Преобразования (2) - (3) проведены для удобства замера временных технологических интервалов ВТМО.

Для нахождения величины обезуглероженного слоя на каждом этапе процесса винтового обжатия решается система уравнений из [2]:

дС (х,т) = Ъ_ п ЭС (х,т) (4)

дт дх дх

С(о,т) = 0, С(¥,т) = С - граничные условия, (5)

С(х,о) = ф(х) - начальные условия, (6)

где С(х,т) - распределение концентрации углерода в поверхностном слое на глубине х в момент времени т; Б - коэффициент диффузии углерода в стали; Со - равновесная концентрация углерода для данной марки стали; ф(х) - начальное распределение концентрации углерода в поверхностном слое.

РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ

Решение задачи при нагреве можно представить как отображение начальных условий (6) с учетом граничных условий (5) и временной зависимости коэффициента диффузии Б в виде:

С(х,т) = Б[ф(х), 2у[От];

здесь Б - функционал, вид которого в условиях нагрева находится по следующей формуле [2]:

1

С(х,т) = \\е 4°т -е \

где ф(£) - распределение концентрации углерода в поверхностном слое заготовки до нагрева.

Температуру металла в роликовой клети определяли с учетом деформационного разогрева и теплообмена металла с роликами. Методика решения задачи типа (4) - (6) с учетом вытяжек и формоизменения по переходам для уравнения теплопроводности изложена в работе [2] (рис. 2).

Решение системы уравнений (4) - (6) при горячей деформации и охлаждении готового проката проводили методом конечно-разностных схем. При этом производные функции С(х,т) по времени т и координате х заменялись разностными выражениями [2]:

ЭС(х,т)_ С(х,т+Лт)-С(х,т) Эт Лт

Э2С (х,т)_ С (х-Лх,т)-2С (х,т) + С (х + Лх,т)

эт ~ лх^ '

где Ат, Ах - шаги разбиения по времени и координате, определяющие точность расчета распределения концентрации углерода в поверхностном слое.

В интервале температур охлаждения готового проката решение диффузионной задачи проводят с учетом выделения а-фазы из у-твердого раствора. Фазовый состав стали определяли в соответствии с диаграммой Бе-С. Линии ОБ, ОР аппроксимировали аналитическими

зависимостями:

Ыя) = 906,2 - 307,3я + 110,6я2

^(Я) = 911,4 - 9825,6я + 31605,8я2,

где я - содержание углерода, % (по массе).

При этом предполагается, что при охлаждении в интервале температур ниже 910 °С возникает структура поверхностного слоя переменного фазового состава: ферритный слой - переходная зона феррито-аустенитной структуры - аустенит переменного состава [2].

Рис. 2. Схема решения диффузионной задачи методом конечных разностей [2]

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

Для процессов, связанных с окалинообразованием (прошивка, редуцирование и т.п.), решение задачи (4) - (6) осложняется тем, что наряду с обезуглерожеванием при температурах горячей обработки протекают процессы окалинообразования.

При использовании предварительной обработки поверхности горечекатаной трубной заготовки под ВТМО (обычно одним из механических методов [1]) после упрочнения на поверхности заготовки образуется лишь окисная пленка толщиной до 10 мкм. Следовательно, пренебрегая процессами окалинообразования, решение задачи определения толщины обезуглероженного слоя сводится к решению системы уравнений (4) - (6) при горячей деформации и охлаждении готового проката с суммарным временем т, что значительно уменьшает объем расчетов при ВТМО по сравнению с горячей прокаткой.

В реальных условиях производства при определении толщины дефектного слоя на поверхности толстостенных труб с ВТМО, предварительно прошедших стадии прошивки и редуцирования, встречаются определенные трудности. Обычно это связано с наличием дефектов проката, поэтому обезуглероженный слой расположен неравномерно как по наружной, так и по внутренней поверхности трубы, что иногда трудно учесть в расчетах (особенно для внутренней поверхности).

Рассмотрим, в связи с этим, структуру дефектного слоя горячекатаной трубы, изготовленной последовательно прошивкой, редуцированием и, с целью повышения показателей качества (точности, уровня механических свойств материала и т.п. [4 - 6]), калибровкой в режиме ВТМО.

На рис. 3 и рис. 4 показаны, соответственно, схематичное изображение дефектов поверхности и их фактическая величина при изготовлении особотолстостенных труб (Он/8т = 0,30...0,44) из стали 30ХГСН2А на различных этапах технологии их изготовления.

Рис. 3. Структура дефектного слоя элемента стенки горячекатаной толстостенной трубной заготовки: - толщина слоя окалины; 1т - глубина залегания трещин; 10С - глубина обезуглероженного слоя; 1т - длина трещин по касательной; Б - наружный диаметр трубы; d - внутренний диаметр

Рис. 4. Величина дефектов поверхности по операциям технологического процесса: I - прошивка; II - редуцирование; III - отпуск (Um = 700°С; т = 2 часа); IV - ВТМО ВО. □ - наружная поверхность; й - внутренняя поверхность

Исследование дефектов на трубах после операций прошивки и редуцирования показало, что в поверхностном слое имеются такие дефекты проката, как остатки окалины, морщины, рябизна, прокатные плены (по наружной поверхности), раскатные и травильные трещины (классификация поверхностных дефектов по ГОСТ 20847-75).

На рис. 5 - 9 показаны характерные виды дефектов поверхности, образующихся в процессе производства упрочненных трубных заготовок из г/к проката.

Рис. 5. Надрывы на внутренней поверхности заготовки из стали 30ХГСН2А после редуцирования: а) - поперечное сечение, х!5; б) - продольный образец, х!5

Рис. 6. Вид надрывов на поверхности редуцированной заготовки из стали 30ХГСН2А, Х200

После прошивки трещины и неровности отсутствуют на внутренней поверхности трубы. На внешней поверхности заготовки имеются широкие трещины, расположенные под углом (до 5 трещин по периметру). Глубина залегания до 0,1 мм, длина - до 0,8 мм. На внутренней поверхности отмечено частичное обезуглероживание на глубине до 0,1 мм. На внешней поверхности заготовки обезуглероженный слой равномерно расположен по окружности. Глубина его составляет до 0,15 мм.

Рис. 7. Трещины и дефекты на внутренней поверхности заготовки после редуцирования: а - х15; б - трещины в обезуглероженном слое, Х100

Рис. 9. Трещины на внутренней поверхности заготовки после ВТМО, I партия: а - х!5; б - окалина в трещине, Х100

После редуцирования глубина проникновения трещин и их количество растет. Так, глубина достигает по внутренней поверхности до 0,13 мм и до 0,96 мм по наружной при длине по касательной до 0,9 мм (до 14 трещин по периметру). Обезуглероженный слой на внутренней поверхности равномерный, до 0,2 мм. На внешней поверхности обезуглеро-женный слой достигает 0,2 мм и наблюдается местное обезуглероживание на трещинах.

Исследование заготовок после редуцирования с отпуском (температура нагрева 700 °С с выдержкой 2 часа) показали, что на внешней поверхности образуется слой окалины 0,12...0,20 мм по всему периметру. Далее идет полностью обезуглероженный слой толщиной 0,25 мм, частично обезуглероженный слой достигает 0,45... 0,75 мм, а все трещины, видимые с поверхности, расположены в окалине. На внутренней поверхности также имеет место небольшой слой окисленного металла, далее идет полностью обезуглероженный слой до 0,1 мм. Наблюдаются отдельные дефекты в виде впадин, выкрашиваний, есть трещины, которые не выходят за пределы обезуглероженного слоя. Отпуск после редуцирования используется в случае необходимости проведения предварительной механической обработки.

Калибровка заготовок в режиме ВТМО снижает глубину залегания трещин до 0,65 мм. Плотность трещин остается высокая (5...7 трещин на 10 мм длины поверхности). Обезуглероженный слой неравномерный (до 0,1 мм). На внешней поверхности наблюдается закручивание трещин; глубина залегания 0,10...0,62 мм, длина по касательной 0,30...0,90 мм. Обезуглероженный слой (до 0,2 мм) только в местах залегания дефектов, повышается коррозионная стойкость конструкционных сталей после ВТМО [8].

Анализ результатов показывает, что источником всех дефектов, имеющихся в заготовке после ВТМО, являются дефекты, появившиеся при прошивке и особенно при редуцировании.

Следовательно, для получения бездефектной упрочненной трубной заготовки необходимо включение в технологический процесс операции удаления дефектного слоя перед ВТМО на глубину 0,8... 1,0 мм либо в процессе ВТМО или на последующих за упрочнением операциях шлифования и зачистки абразивным инструментом на глубину 0,7...0,8 мм.

Тот факт, что все дефекты поверхности в большинстве случаев не выходят за пределы обезуглероженного слоя подчеркивает его решающее значение при определении глубины дефектного слоя проката на каждом этапе технологического процесса. Таким образом, использование методики [2, 9] для расчета величины обезуглероженного слоя при ВТМО совместно с решением (4) - (6) позволит прогнозировать качество поверхностного слоя грячекатаных трубных заготовок, и, как следствие, определять долговечность изделия в целом.

ВЫВОДЫ

Определена величина обезуглероженного слоя, которая определяется суммарным временем нахождения металла при высоких температурах (1 > 800 °С), т.е. временем нагрева заготовки под деформацию, температурно-скоростным режимом деформации и скоростью охлаждения готового проката. Разработана обобщенная модель формирования обезуглероженного слоя и представлено решение диффузионной задачи распределения углерода в поверхностных слоях заготовки, что позволяет определить толщину дефектного слоя и оптимизировать температурно-скоростные режимы ВТМО ВО.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Шаврин О. И., Засыпкин А. Д., Дементьев В. Б. Применение полых профилей для пальцев траков гусениц // Тракторы и сельскохозяйственные машины. 1999. № 8. С. 16-18.

2. Жадан В. Т., Брейгин В. Д., Трусов В. А. Оратовская И.Е., Чичаев А.Н. и др. Методика расчета обезуглероживания и окалинообразования при горячей прокатке углеродистых сталей // Известия вузов. Черная металлургия. 1987. № 11. С. 77-81.

3. Бернштейн М. Л. Термомеханическая обработка металлов и сплавов. В 2 томах. М.: Металлургия, 1968. 1171 с.

4. Шаврин О. И. Технология и оборудование термомеханической обработки деталей машин. М.: Машиностроение, 1983. 176 с.

5. Дементьев В. Б., Засыпкин А. Д. Исследование структуры и механических свойств стали 30ХГСН2А в технологиях прошивки, редуцирования и высокотемпературной термомеханической обработки особотолстостенных трубных заготовок // Химическая физика и мезоскопия. 2015. Т. 17, № 3. С. 372-379.

6. Дементьев В. Б., Засыпкин А. Д. Системный анализ процесса высокотемпературной термомеханической обработки заготовок полых пальцев гусеничной ленты // Тракторы и сельхозмашины. 2015. № 11. С. 30-34.

7. Дементьев В. Б., Засыпкин А. Д. Определение критериев оптимальности при разработке упрочняющих технологий // Тракторы и сельхозмашины. 2015. № 12. С. 29-33.

8. Лукин Л. Л. Методика и результаты оценки коррозионной стойкости конструкционных сталей после ТМО // Сборник научных трудов «Технологическое обеспечение надежности и долговечности машин». Ижевск: ИПМ УрО РАН, 2006. С. 25-28.

9. Дементьев В. Б., Засыпкин А. Д. Теория и практика обработки глубоких отверстий в горячекатаной трубной заготовке. Пермь: Изд-во ПНИПУ, 2014. 175 с.

FEATURES OF THE FORMATION OF THE DECOMPOSITIONAL LAYER AT HTMO

Dementyev V. B., Zasypkin A. D.

Udmurt Federal Research Center, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, Izhevsk, Russia

SUMMARY. The article deals with the formation of the surface layer of hardened steel (used for the manufacture of parts experiencing high loads during operation) in the process of high-temperature thermomechanical processing (HTMO) with deformation by screw compression (VO) of cylindrical billets. This raises the problem of increasing the depth of the decarburized layer on the surface of the hot rolled billet when it is heated to temperatures of austenitic transformation. The magnitude of the decarburized layer is determined by the total residence time of the metal at high temperatures (t > 800 ° C), i.e. heating time of the workpiece under the deformation, temperature and speed mode of deformation and the cooling rate of the finished steel. The construction of a generalized model of the formation of a decarburized layer and the subsequent solution of the diffusion problem of carbon distribution in the surface layers of the workpiece make it possible to determine the thickness of the defective layer and the optimal temperature and velocity regimes of the HTMO VO.

KEYWORDS: decarburized layer, heating, deformation, cooling, high-temperature thermomechanical treatment, carbon concentration, surface quality.

REFERENCES

1. Shavrin O. I., Zasypkin A. D., Dement'ev V. B. Primenenie polykh profiley dlya pal'tsev trakov gusenits [The use of hollow profiles for tracks tracks tracks]. Traktory i sel'skokhozyaystvennye mashiny [Tractors and agricultural machines], 1999, no. 8, pp. 16-18.

2. Zhadan V. T., Breygin V. D., Trusov V. A. Oratovskaya I. E., Chichaev A. N. i dr. Metodika rascheta obezuglerozhivaniya i okalinoobrazovaniya pri goryachey prokatke uglerodistykh staley [Method of calculating decarburization and scaling during hot rolling of carbon steels]. Izvestiya vuzov. Chernaya metallurgiya [Izvestiya. Ferrous Metallurgy], 1987, no. 11, pp. 77-81.

3. Bernshteyn M. L. Termomekhanicheskaya obrabotka metallov i splavov [Thermomechanical processing of metals and alloys]. V 2-kh tomakh. Moscow: Metallurgiya Publ., 1968. 1171 p.

4. Shavrin O. I. Tekhnologiya i oborudovanie termomekhanicheskoy obrabotki detaley mashin [Technology and equipment for thermomechanical processing of machine parts]. Moscow: Mashinostroenie Publ., 1983. 176 p.

5. Dement'ev V. B., Zasypkin A. D. Issledovanie struktury i mekhanicheskikh svoystv stali 30KhGSN2A v tekhnologiyakh proshivki, redutsirovaniya i vysokotemperaturnoy termomekhanicheskoy obrabotki osobotolstostennykh trubnykh zagotovok [The research of the structure and mechanical properties of steel 30ChGSN2A in the technologies of the piercing, reduction and high-temperature thermomechanical treatment of heavy-walled pire blanks]. Khimicheskayafizika i mezoskopiya [Chemical Physics and Mesoscopy], 2015, vol. 17, no. 3, pp. 372-379.

6. Dement'ev V. B., Zasypkin A. D. Sistemnyy analiz protsessa vysokotemperaturnoy termomekhanicheskoy obrabotki zagotovok polykh pal'tsev gusenichnoy lenty [System analysis of process of high-temperature thermomechanical treatment for blanks of hollow track]. Traktory i sel'khozmashiny [Tractors and agricultural machinery], 2015, no. 11, pp. 30-34.

7. Dement'ev V. B., Zasypkin A. D. Opredelenie kriteriev optimal'nosti pri razrabotke uprochnyayushchikh tekhnologiy [Determination of optimality criteria in the development of hardening technologies]. Traktory i sel'khozmashiny [Tractors and agricultural machinery], 2015, no. 12, pp. 29-33.

8. Lukin L. L. Metodika i rezul'taty otsenki korrozionnoy stoykosti konstruktsionnykh staley posle TMO [Methods and results of the evaluation of the corrosion resistance of structural steels after TMT]. Sb. nauch. tr. Tekhnologicheskoe obespechenie nadezhnosti i dolgovechnosti mashin [Sb. scientific Tr. Technological support of reliability and durability of machines]. Izhevsk: IPM UrO RAN Publ., 2006, pp. 25-28.

9. Dement'ev V. B., Zasypkin A. D. Teoriya i praktika obrabotki glubokikh otverstiy v goryachekatanoy trubnoy zagotovke [Theory and practice of processing deep holes in hot rolled billet]. Perm: PNIPU Publ., 2014. 175 p.

Дементьев Вячеслав Борисович, доктор технических наук,

руководитель Института механики УдмФИЦ УрО РАН, тел. (3412)202925, e-mail: demen@,udman.ru

Засыпкин Андрей Дмитриевич, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Институт механики УдмФИЦ УрО РАН, e-mail: oka592@rambler.ru